Célula solar com espessura de papel pode transformar qualquer superfície em uma fonte de energia

Essas células solares duráveis e flexíveis, que são muito mais finas que um fio de cabelo humano, são coladas a um tecido forte e leve, tornando-as fáceis de instalar em uma superfície fixa. Elas podem fornecer energia em movimento como um tecido de energia vestível ou ser transportados e implantados rapidamente em locais remotos para assistência em emergências.

Por serem tão finas e leves, essas células solares podem ser laminadas em muitas superfícies diferentes. Por exemplo, eles podem ser integrados às velas de um barco para fornecer energia no mar, aderidos a tendas e lonas que são implantadas em operações de recuperação de desastres ou aplicados nas asas de drones para estender seu alcance de vôo. Esta tecnologia solar leve pode ser facilmente integrada em ambientes construídos com necessidades mínimas de instalação.

“As métricas usadas para avaliar uma nova tecnologia de célula solar são normalmente limitadas à sua eficiência de conversão de energia e seu custo em dólares por watt. Igualmente importante é a integrabilidade – a facilidade com que a nova tecnologia pode ser adaptada. Os tecidos solares leves permitem a integrabilidade, dando impulso ao trabalho atual. Nós nos esforçamos para acelerar a adoção da energia solar, dada a atual necessidade urgente de implantar novas fontes de energia livres de carbono”, disse Vladimir Bulović, presidente da Fariborz Maseeh em tecnologia emergente, líder da Organic and Laboratório de Eletrônica Nanoestruturada (ONE Lab), diretor do MIT.nano e autor sênior de um novo artigo descrevendo o trabalho.

Juntando-se a Bulović no artigo estão os co-autores principais Mayuran Saravanapavanantham, um estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação no MIT; e Jeremiah Mwaura, cientista pesquisador do Laboratório de Pesquisa Eletrônica do MIT. A pesquisa foi publicada hoje na Small Methods.

As células solares de silício tradicionais são frágeis, por isso devem ser envoltas em vidro e embaladas em uma estrutura de alumínio pesada e espessa, o que limita onde e como podem ser implantadas.

Seis anos atrás, a equipe do ONE Lab produziu células solares usando uma classe emergente de materiais de película fina que eram tão leves que podiam ficar em cima de uma bolha de sabão. Mas essas células solares ultrafinas foram fabricadas usando processos complexos baseados em vácuo, que podem ser caros e difíceis de escalar.

Neste trabalho, eles desenvolveram células solares de película fina que são totalmente imprimíveis, usando materiais à base de tinta e técnicas de fabricação escaláveis.

Para produzir as células solares, eles usam nanomateriais que estão na forma de tintas eletrônicas imprimíveis. Trabalhando na sala limpa do MIT.nano, eles revestem a estrutura da célula solar usando um revestidor de matriz de fenda, que deposita camadas de materiais eletrônicos em um substrato liberável preparado com apenas 3 mícrons de espessura. Usando a serigrafia (técnica semelhante à forma como os desenhos são adicionados às camisetas serigrafadas), um eletrodo é depositado na estrutura para completar o módulo solar.

Os pesquisadores podem então retirar o módulo impresso, que tem cerca de 15 mícrons de espessura, do substrato plástico, formando um dispositivo solar ultraleve.

Mas esses módulos solares finos e autônomos são difíceis de manusear e podem rasgar facilmente, o que os tornaria difíceis de implantar. Para resolver esse desafio, a equipe do MIT procurou um substrato leve, flexível e de alta resistência ao qual pudessem aderir as células solares. Eles identificaram os tecidos como a solução ideal, pois fornecem resiliência mecânica e flexibilidade com pouco peso adicional.

Eles encontraram um material ideal – um tecido composto que pesa apenas 13 gramas por metro quadrado, comercialmente conhecido como Dyneema. Este tecido é feito de fibras tão fortes que foram usadas como cordas para levantar o navio de cruzeiro Costa Concordia do fundo do mar Mediterrâneo. Ao adicionar uma camada de cola, com apenas alguns mícrons de espessura, eles aderem os módulos solares às folhas desse tecido. Isso forma uma estrutura solar ultraleve e mecanicamente robusta.

“Embora possa parecer mais simples apenas imprimir as células solares diretamente no tecido, isso limitaria a seleção de possíveis tecidos ou outras superfícies receptoras àquelas que são quimicamente e termicamente compatíveis com todas as etapas de processamento necessárias para fabricar os dispositivos. Nosso abordagem separa a fabricação de células solares de sua integração final”, explica Saravanapavanantham.

Superando as células solares convencionais

Quando testaram o dispositivo, os pesquisadores do MIT descobriram que ele poderia gerar 730 watts de potência por quilo quando independente e cerca de 370 watts por quilo se implantado no tecido Dyneema de alta resistência, que é cerca de 18 vezes mais potência por quilograma. do que as células solares convencionais.

“Uma instalação solar típica de telhado em Massachusetts tem cerca de 8.000 watts. Para gerar a mesma quantidade de energia, nosso tecido fotovoltaico adicionaria apenas cerca de 20 quilos ao telhado de uma casa”, diz ele.

Eles também testaram a durabilidade de seus dispositivos e descobriram que, mesmo depois de enrolar e desenrolar um painel solar de tecido mais de 500 vezes, as células ainda retinham mais de 90% de suas capacidades iniciais de geração de energia.

Embora suas células solares sejam muito mais leves e muito mais flexíveis do que as células tradicionais, elas precisariam ser envoltas em outro material para protegê-las do meio ambiente. O material orgânico à base de carbono usado para fabricar as células pode ser modificado pela interação com a umidade e o oxigênio do ar, o que pode deteriorar seu desempenho.

“Envolver essas células solares em vidro pesado, como é padrão nas células solares de silício tradicionais, minimizaria o valor do avanço atual, então a equipe está desenvolvendo soluções de embalagens ultrafinas que aumentariam apenas uma fração do peso dos dispositivos ultraleves atuais,” diz Mwaura.

“Estamos trabalhando para remover o máximo possível de material não solar ativo, mantendo o fator de forma e o desempenho dessas estruturas solares ultraleves e flexíveis. Por exemplo, sabemos que o processo de fabricação pode ser simplificado imprimindo o material liberável substratos equivalentes ao processo que utilizamos para fabricar as demais camadas do nosso aparelho. Isso aceleraria a tradução dessa tecnologia para o mercado”, acrescenta.

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